Remerciements

Ce texte (actualisé en 2006) est un extrait d'une brochure d'information réalisée par la Fédération Européenne de l'Industrie Solaire (ESIF) avec l'aide du groupe de recherche Énergie du Collège Universitaire de Dublin et la participation de l'association professionnelle Enerplan pour la version française. Elle s'appuie sur les données de l'étude de marché intitulée "Sun in Action" réalisé avec le soutien de la Commission Européenne DG XVII en 1996.

1. Une technologie mature

Les modes d'utilisation de l'énergie solaire ont considérablement évolué ces dernières années.
Si vous appartenez à l'une des 5 millions de familles européennes ayant installé des capteurs solaires pour la production d'eau chaude sanitaire, vous êtes parmi les utilisateurs du type d'équipement solaire thermique le plus répandu. Vous pouvez également avoir choisi un système de chauffage solaire individuel pour votre maison ou vivre dans un lotissement desservi par un réseau de chaleur alimenté par de l'énergie solaire. Vous pouvez enfin vous baigner dans une piscine chauffée par des capteurs ou travailler dans une usine qui utilise la chaleur solaire pour ses procédés industriels. Mais, à moins d'être déjà l'un de ces utilisateurs ou l'un des 500.000 Européens qui vont investir dans une installation solaire cette année, vous ne pouvez réellement prendre conscience de l'évolution des techniques solaires qui sont passées du stade de la démarche expérimentale et "alternative" des années 70, au rang de technologie mature et compétitive.

L'énergie solaire est généralement perçue comme une énergie bien adaptée aux régions du Sud de l'Europe mais inefficace dans celle du Nord. Les milliers de Scandinaves, Hollandais et Allemands qui utilisent de tels systèmes témoignent du contraire. Dans ces régions, le marché des équipements solaires est souvent plus important que dans les États du pourtour méditerranéen.

La protection de l'environnement

L'intérêt grandissant pour l'énergie solaire thermique s'explique en grande partie par la prise de conscience par le grand public de l'impact néfaste sur l'environnement de l'utilisation de sources d'énergie fossiles. En effet, la plupart des gens sont aujourd'hui conscients que nos modes de consommation d'énergie sont en grande partie responsables des problèmes de pollution de l'air et de l'eau, et risquent d'entraîner à terme une dégradation du climat de notre planète. De plus en plus de personnes pensent qu'il est du devoir de chacun d'agir en faveur de l'environnement et choissent d'apporter une première réponse en assurant une partie de leurs besoins énergétiques à partir d'une énergie propre et inépuisable : le soleil.

L'utilisation de systèmes solaires thermiques est bénéfique aussi bien au niveau local que national. Ce sont des équipements implantés sur le lieu même de consommation, installés et entretenus par des entreprises locales. La quasi-totalité des sommes dépensées pour leur mise en place et leur maintenance reste dans la collectivité qui a réalisé le projet en générant une richesse locale. A contrario, l'argent dépensé pour l'achat de combustibles fossiles quitte généralement les caisses de l'État acquéreur, diminuant ainsi sa richesse nationale.

Lorsque les citoyens se sentent individuellement concernés par des préoccupations environnementales et sociales, le solaire thermique est un moyen de montrer leur engagement tout en améliorant leur confort et en réalisant un investissement judicieux.

2. Les principes de fonctionnement

Les équipements solaires thermiques exploitent les rayonnements directs ou diffus du soleil pour produire de la chaleur qui sera utilisée en temps, lieu et température voulus. Une installation classique est composée d'un ou plusieurs capteurs solaires, reliés à un système de circulation qui distribue la chaleur vers son lieu d'utilisation. La chaleur est transportée par un fluide caloporteur constitué généralement d'eau ou d'air.

Schéma de principe d'une installation de production d'eau chaude

Ces équipements sont souvent appelés systèmes solaires actifs. Ils consistent en un ensemble de composants spécifiques et d'autres plus classiques, pouvant comprendre des circulateurs et des ventilateurs. Ils se distinguent de l'architecture solaire passive dont les principes reposent sur l'utilisation d'éléments de construction destinés à capter et stocker l'énergie solaire tels que des façades vitrées au Sud, des murs à forte inertie thermique et des vérandas.

La quantité de chaleur pouvant être fournie par un équipement solaire thermique dépend de l'intensité du rayonnement solaire apporté ("insolation") et de la faculté des capteurs à l'utiliser. La quantité de rayonnement reçue est proportionnelle à la surface de capteurs prise en compte. C'est pourquoi la comparaison entre deux systèmes solaires se fait souvent par rapport à la surface de capteurs installée (en m²). La proportion du rayonnement solaire effectivement transformé en chaleur est fonction du rendement propre à chaque capteur.

Le rayonnement absorbé dépend également du niveau d'ensoleillement, du site considéré et de l'orientation des capteurs par rapport au soleil. Un capteur reçoit le maximum d'énergie lorsqu'il est orienté face au soleil et incliné selon un angle pratiquement égal à la latitude du lieu d'implantation. Un capteur orienté entre le Sud-est et le Sud-ouest, dont l'inclinaison varie selon un angle maximum de 30 degrés par rapport à l'angle optimal d'inclinaison, peut fournir presque autant d'énergie qu'un capteur orienté et incliné dans les meilleurs conditions. Cette tolérance apporte une certaine flexibilité pour l'implantation des capteurs.

Pour les installations individuelles destinées à la production d'eau chaude sanitaire ou au chauffage des bâtiments, il n'est généralement pas judicieux sur le plan économique de vouloir couvrir l'ensemble des besoins en énergie avec la seule installation solaire. Il est préférable de réaliser une installation de plus petite dimension qui n'apportera qu'une partie des besoins énergétiques annuels et dont le complément sera assuré par une énergie d'appoint d'origine conventionnelle.

Tableau comparatif du rayonnement journalier moyen reçu sur 3 sites européens par des capteurs orientés plein sud et inclinés selon un angle correspondant à la latitude du lieu d'implantation (en kWh/m²jour)

Les variations journalières dues à la présence de nuages sur le site constituent également un facteur déterminant. Bien qu'ayant une meilleure productivité dans le sud de l'Europe, les systèmes solaires thermiques sont suffisamment performants dans le nord de l'Europe pour apporter une part significative des besoins de chaleur, ce que confirme l'importance du marché dans ces régions.

3. Descriptif des systèmes solaires thermiques

Un système solaire thermique est généralement constitué de trois parties : un capteur, un groupe de transfert assurant la circulation et la régulation et une unité de stockage. Ces différentes parties sont détaillées ci-après.

Les capteurs solaires

Les capteurs peuvent être classifiés en trois catégories : les capteurs plans vitrés, non vitrés et sous vide.

Les capteurs non vitrés
Ce matériel simple et peu coûteux, est généralement constitué de tubes noirs en plastique ou en métal dans lesquels circule de l'eau. Ils ne sont pas isolés, si bien que l'augmentation de température obtenue ne dépasse généralement pas 20° C au dessus de la température ambiante. Les capteurs non vitrés sont particulièrement bien adaptés aux applications ne nécessitant pas des températures élevées telles que le chauffage des piscines.

Un kit complet de chauffage solaire de piscine individuelle avec un capteur souple (Giordano)

Les capteurs plans
C'est le type de capteur le plus couramment utilisé. Il comprend un coffre isolant sur lequel est fixée une vitre ou certains plastiques transparents. A l'intérieur est disposée une feuille métallique noire destinée à absorber l'énergie solaire. Un fluide caloporteur (de l'eau ou de l'air) en contact avec la surface absorbante ou circulant dans des tuyauteries prélève les calories reçue du soleil. La vitre située sur la face avant et l'isolant permettent de réduire les déperditions de chaleur. L'absorbeur peut être recouvert d'un revêtement "sélectif" qui améliore ses performances. La plupart des capteurs plans vitrés permettent des gains de température allant jusqu'à 70°C par rapport à la température ambiante et sont de ce fait adaptés à la production de l'eau chaude sanitaire, au chauffage des bâtiments et à l'alimentation de réseaux de chaleur. certains modèles de capteurs plans très performants génèrent des élévations de température encore plus importantes.

Vue écorchée d'un capteur plan

Les capteurs sous vide
Ils sont constitués d'une série de tubes de verre sous vide à l'intérieur desquels se trouve un absorbeur (en général une feuille métallique noire) qui capte l'énergie solaire et la transfère au fluide caloporteur. Grâce aux propriétés isolantes du vide, les déperditions de chaleur sont faibles, permettant ainsi d'obtenir des gains de 100° C et plus au dessus de la température ambiante. Ces modèles de capteurs sont particulièrement bien adaptés aux applications nécessitant des hautes températures.

Le système de circulation et le ballon de stockage

Le système de circulation permet de transporter les calories depuis le capteur vers le lieu de stockage ou d'utilisation. Dans un chauffe-eau solaire, le fluide caloporteur circule généralement entre le capteur et un échangeur de chaleur situé dans le ballon de stockage.

Dans beaucoup de systèmes, le fluide caloporteur utilisé est de l'eau. Divers additifs peuvent y être ajoutés tels que de l'antigel afin de protéger les capteurs en hiver. Certains capteurs sont prévus pour être vidangés en cas de risques de gel ou de surchauffe (systèmes auto-vidangeables).

La circulation de l'eau entre le capteur et le ballon de stockage est assurée soit grâce à une pompe de circulation, soit par effet de thermosiphon, l'eau réchauffée dans les capteurs se dilate et, plus légère, monte naturellement vers le ballon de stockage situé au dessus. Elle est remplacée par l'eau froide descendant du ballon. Les systèmes en thermosiphon sont généralement moins chers puisqu'ils ne nécessitent aucun dispositif de circulation et de contrôle. Mais dans ce cas, le ballon doit être obligatoirement positionné au dessus du capteur. Les systèmes à circulation forcée sont utilisés partout en Europe alors que ceux fonctionnant en thermosiphon sont plutôt réservés aux régions du sud.

Un ballon de stockage bien isolé maintient l'eau en température jusqu'à ce qu'elle soit utilisée. Les fonctions de captage et de stockage peuvent être réunies en un seul élément, ne nécessitant pas de ballon séparé, d'échangeur et de circulateur. Ce type de matériel est appelé capteur-stockeur.

Installation de production d'eau chaude sanitaire en thermosiphon

Installation de production d'eau chaude sanitaire à circulation forcée

La régulation

Dans tous les systèmes de production de chaleur, il est impératif de mettre en place un dispositif de régulation destiné à en optimiser le fonctionnement et à maintenir la température désirée. Le coût et le principe de fonctionnement du système de régulation d'une installation solaire thermique est généralement similaire à celui utilisé pour une installation conventionnelle. Il peut être équipé de sondes de température qui apportent des informations sur les performances de l'installation et d'un thermostat différentiel qui supervise la mise en route du circulateur.

La suite : 4. Les différentes applications

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